Система сжатия и уплотнения каналов

~ 10 ~ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АК А ДЕМИЯ Кафедра радиоуправления и связи КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по дисциплине “Радиосистемы передачи информации” на тему “Система сжатия и уплотнения каналов” Выполнил: Руководитель: Рязань, 2007 Содержание Оглавление Содержание 2 Техническое задание 3 Введение 4 Определение частоты опроса 5 Адаптивная дискретизация 6 РИКМ 8 Структурная схема и описание системы уплотнения. 11 Структура группового сигнала 15 Основные временные диаграммы системы 18 Заключение 20 Список литературы 21 Техническое задание Вероятно сть ошибки на символ……………………………… 10 -4 Показатель вер ности, %…...………………… …. ………… . … 0,3 Спектр си гн а ла……………………………………… ……… … равномерный Ширина спектра сигнала, Гц.……………… … ……………… 200 ФПВ сигн а ла………………………………………… …………. норм. Число кан а лов……………… …………………… ………. …… .. 50 Тип квантоват е ля……………………………… …….. ………… Р ИКМ Уплотнение………………………………………… ……….. … по фо р ме Алгор итм сжатия………………………………… …….. ……… АД Отношение с/ш квантователя, дБ………. ……………………..30 Вид модул я ции………………………………………… ……… ОФМ Введение В данном курсовом проекте разрабатывается система сжатия и упло т нения каналов, и определяются её основные параметры и характеристики. Проектирование и применение подобных систем в настоящее время считаю т ся целесообразным, т. к. эти системы позволяют уменьшить плотность и сложность линий связи, увеличить число каналов, улучшить качество обсл у живания абонентов, а так же предоставлять им дополнительные услуги. Определение частоты опроса В нашем случае спектр сигнала равномерный. Определим частоту опроса F 0 . По заданию на проект, п о казатель верности эф = 0.3 % , а ш и рина спектра сигнала f =200 Гц. Применим эту модель к интерполяции по Л а гранжу при n =1,2,3, используя также следующие соотношения: ~ 10 ~ Теперь проанализируем полученные результаты. Частота опроса F 02 имеет существенный выигрыш по сравнению с F 01 и проигрывает частоте F 03 , так как больше неё. Но выберем F 02 , так как при реализации на этой частоте обеспечивается заданное качество и используются небольшие аппаратные з а траты. Адаптивная дискретизация В системе с адаптивной дискретизацией в каждом измерительном к а нале сужение полосы пропускания частот канала связи может быть получено без буферной связи. При этом передача информации будет производиться в реальном масштабе времени, что является достоинством таких систем, име н но поэтому мы выбрали эту структурную схему. Структурная схема передающей части ТИС с адаптивной дискретиз а цией в каждом канале без буферной памяти представлена на рис.2. В литературе такие системы названы асинхронно-циклическими. Схема работает следующим образом. Сигналы с датчиков Д анализируются ада п тивными временными дискретизаторами АВД , которые решают задачу ада п тивной дискретизации в каждом измерительном канале отдельно. Если в к а ком-либо канале погрешность аппроксимации достигает значения заданной допустимой погрешности д , то на выходе соответствующего АВД появится сигнал 1. В то же время импульсы от генератора тактовых импульсов ГТИ через открытую схему запуска СЗ с помощью распределителя Р поочерёдно п о ступают на схемы совпадения И . Если на втором входе какой-либо схемы И появляется сигнал 1 от АВД , то схема И выдаёт сигнал 1 на ключ К и соответствующий датчик подключ а ется к аналого-цифровому преобразователю АЦП . При этом через собир а тельную схему ИЛИ подаётся сигнал на СЗ , запрещающий дальнейшее пр о хождение импульсов с ГТИ до окончания преобразования и выдачи кода в линию связи. Распределитель останавливается, и параметр выбранного да т чика преобразуется в код АЦП , который поступает в блок считывания БС . В БС поступает также код номера (адрес) выбранного канала. В БС код адреса и код параметра преобразуются из параллельного в последовательный и п е редаются в линию связи. По окончании считывания БС выдаёт сигнал на ра з решение дальнейшего прохождения импульсов через СЗ на распределитель. Кроме того, сигнал окончания считывания от БС поступает также на один из входов схемы совпадения И1 , служащей для формирования сигнала сброса АВД в момент отсчёта. Так как на второй вход схемы И1 поступает сигнал от схемы И своего канала, то сброс АВД произойдёт только в выбранном канале. После этого распределитель Р продолжает опрос схем И , причём время прохождения к а нала, у которого погрешность аппроксимации меньше заданной, выбирается малым по сравнению со временем преобразования сигнала и выдачи сигн а ла в линию связи. В асинхронно-циклических системах можно не передавать код адреса, а вместо него через канал связи передавать на приёмную сторону импульсы переключения распределителя Р от схемы запуска СЗ . РИКМ Рассмотрим особенности работы разностного квантователя (рис . 3 ): На входе квантователя действует сигнал: . Сигнал называется погрешностью предсказания или разностный сигнал. Квантованию подвергается не входной, а разностный сигнал. Квант о ватель может быть адаптивным или неадаптивным, равномерным или нера в номерным, но во всех случаях его параметры соответствуют дисперсии п о грешности предсказания. Квантованная погрешность предсказания имеет вид: , где - ошибка квантования разностного сигнала. Из структурной схемы следует, что квантованное значение исходного сигнала имеет вид: И используя формулы получаем выражение: . Таким образом квантованный входной сигнал отличается от исходного входного сигнала на величину шума квантования разностного сигнала, если предсказатель хороший, то дисперсия разностного сигнала будет меньше дисперсии входного сигнала и квантователь с заданным количеством уро в ней даст меньшую погрешность при квантовании разности, чем при квант о вании исходного сигнала. Отношение с/ш квантования в этом случае имеет вид: , где - с/ш квантователя, - коэффициент усиления, обусловленный разностным кодированием. Отношение с/ш квантователя зависит только от свойств квантователя (равномерный, неравномерный, адаптивный) и ра з ностного сигнала. Величина определяет выигрыш в отношении с/ш при и с пользовании разностного представления. Т.к. величина фиксированная, то увеличить коэффициент усиления можно только за счет минимизации . Для решения этой задачи определяют тип предсказателя. Рассмотрим во з можность использования линейного предсказателя: , где - порядок фильтра предсказателя. Дисперсия погрешности пре д сказателя в этом случае имеет вид: . Дифференцируя по и приравниваем к нулю, получим систему уравнений: . Решением системы уравнений будет , при котором минимальна. В этом случае коэффициент усиления: , где - нормированная корреляционная функция . Таким обр а зом пока отношение с/ш квантования будет увеличиваться за счет пре д сказания. В случае речевого сигнала при получаются зависимости к о эффициента усиления от порядка фильтра предсказателя (рис . 4 ): Даже при простом предсказателе, когда p =1, можно получить выигрыш в 6 дБ, что эквивалентно добавления одного разряда в квантователь. В данной курсовой выберем линейный предсказатель второго порядка В дальнейшем предполагаем, что шум квантования является стаци о нарным белым шумом, некоррелированным с входным сигналом и име ю щим равномерное распределение в интервале в этом случае ди с персия шумов квантования: или в децибелах отсюда видно чтобы обесп е чить с/ш равное 30дБ нужен 5-битный квантователь. Структурная схема и описание системы уплотнения. При разделении каналов по форме (РКФ) базисные функции дол ж ны быть минимально независимыми и желательно ортогональными. При этом передаваемая информация заключена в амплитуде базисных функций. В этом случае канальный сигнал будет иметь следующий вид: где , - период канального сигнала, - отсчёты первичного сигнала. Эта формула справедлива, если информация заключена в амплитуде сигнала. В качестве базисных функций используются функции, удобные с точки зрения технической реализации. Обычно используются из-за лучшей помехоустойчивости ортогональные функции Чебышева, Лежандра, Матье, Уолша. Ортогональные функции Лежандра, Чебышева являются непрерывн ы ми аналоговыми сигналами и, следовательно, устройствам их генерирования и обработки свойственны недостатки, присущие всем аналоговым устро й ствам: невозможность унификации, стандартизации, высокие требования к температурной стабильности, сложная техническая реализация и т.д. Поэтому в настоящее время часто в качестве базисных функций и с пользуются ансамбли цифровых сигналов, в частности ансамбль функций Уолша. Именно эти функции и будем использовать в качестве базисных функций в данном курсовом проекте. Структурная схема передающей части системы с ортогональными си г налами приведена на рис. 5 . ~ 10 ~ На схеме использованы следующие обозначения: ГТЧ – генератор тактовой частоты; ГНК – генератор несущего колеб а ния; К i – ключи; ГПФ – генератор полиномиальных функций; СУ – сумма р ный усилитель; С – синхронизатор , M – модулятор (ОФМ) . На передающей стороне ГТЧ формирует кратковременные импульсы с частотой повторения. Ключи хранят значение весь период повторения. Си н хронизатор формирует синхросигнал. Групповой сигнал имеет вид: Для разделения сигналов по форме на приёмной стороне используют свойство ортогональности базисных функций. Математически эта операция выглядит так: Структурная схема приёмной части приведена на рис. 6 . На схеме использованы следующие обозначения: ДМ – демодулятор; Ф – фильтры. На приёмной стороне в синхронизаторе осуществляется выделение синхросигнала, который запускает ГПФ и сбрасывает интеграторы и ключи. Выделение информации осуществляется в соответствии с приведённым в ы ше алгоритмом. Как уже отмечалось, в качестве базисных функций будем использовать функции Уолша. Эти функции известны с 1922 г., но практический интерес к ним возник только в последние 2 – 3 десятилетия в связи с развитием ЭВМ. Существует множество способов задания (определения) функций Уолша. Функции Уолша образуют полную ортонормированную систему из функций и определяется через функции Радемахера следующим обр а зом: где - номер функции в десятичном счислении; - n – й разряд представления числа в двоичной системе счисл е ния; - порядок функции Радемахера; - функции Радемахера; первые четыре имеют следующий вид Для данной системы необходимо 8 функций Уолша, так как на вход с и стемы уплотнения по форме поступают 8 сигналов с 7 адаптивных дискрет и заторов . Образование необходимых нам функций происходит при n = 3 N =2 3 = 8 , . Чтобы передать код функции Уолша, необходимо три бит а информ а ции. (2 3 = 8 ) Первые 8 функций Уолша будут иметь следующий вид: Структура группового сигнала Рассмотрим формирование группового сигнала (рис. 9 ). С пом ощью распределителя импульсов 8 датчиков опрашиваются поочередно. Максимальная в этом случае будет, если в i -ом цикле опроса погрешность а п проксимации превысила допустимое значение в каком-то к-ом канале и остальные каналы “молчат”, а на i +1 цикле погрешность аппроксимации превысила допуст и мое значение в том же к-ом канале. Пусть срабатыв а ние АВД произошло в 1-ом канале. Тогда сигнал с вых о да АД (при вышеперечисленных условиях) будет иметь следующий вид: где t 1 - время необходимое для работы БС , t 2 - время необходимое для опроса оставшихся датчиков. Тогда t 1+ t 2=1/ . t 2 определяется .Для нормальной работы устройства уплотнения по форме необходимо, чтобы битовая информация со схем АД поступала синхронно, а для этого надо, чтобы сдвиг сигналов со схем АД был кратен одному биту. Исходя из этого ,где t - длитель ность синхро сигнала , t - время необходимое для передачи инфо р мации с одного датчика. На вход устройства АД с датчиков (Д) поступает аналоговый сигнал. Так как мы используем адаптивную дискретизацию, необходимо вставить разделительные импульсы РИ для организации сообщений о времени. Ра з делительные сообщения о времени передаются при каждой значащей части с о общения. Синхросигнал будет выдаваться каждый цикл опроса 8 датчиков. Так как на каждый АД поступает информация с 8 датчиков, то 2 3 = 8 и впол не достаточно 3 бит адресной информации. Как было посчитано ранее на кодировку отсчета необ ходимо 5 бит. Разделительный импульс будет в виде одног о бита единичного значения. Он необходим, чтобы на приемной стороне определить нахождение адреса и информации. Будем называть сигнал с выхода АД информационным словом, то есть информационное слово = № датчика + информация. Длина информационн о го слова 3+5=8 бит . Далее информационные слова со всех А Д поступают на схему упло т нения по форме (рис.11). ~ 10 ~ Каждый бит информационного слова модулирует по амплитуде бази с ную функцию, соответствующую номеру АД. Модуляция осуществляется умножителем. В результате выходное напряжение умножителей будет соо т ветствовать форме базисной функции с соответствующей амплитудой. В данном случае, как уже отмечалось выше, каждая базисная функция (фун к ция Уолша) содержит N =3 символа (бита). Соответственно длина информ а цио н ного слова увеличится в раз (3 раза). Далее сигналы со всех умножителей складываются по уровню, и к этой последовательности подмешивается синхрослово. Длина синхрослова ра с считывается исходя из вероятности ошибки на символ. По графику на рис.12 при вероятности ошибки на символ и задаваясь вероятностью ло ж ного обнаружения синхросигнала , определяем длину синхросигнала . В качестве синхрослова будем использовать М-последовательность, длина которой находится по формуле . Соответственно в данном случае выберем длину синхрослова . В итоге групповой сигнал с выхода схемы уплотнения примет вид … РИ – разделительный импульс (1 бит) Длина группового сигнала N = 63+1+( 8 * 3 )= 88 бит . Длительность группового сигнала определяется частотой опроса T д = 1/ F 0 = 1/46740 = 21 , 4 мкс Длительность передачи одного символа (бита): t = T д / N = 21 , 4 *10 -6 /88 = 244 нс Соответственно частота тактового генератора: f T =1/ t = 1/ 244 *10 -9 = 4 ,1 МГц Основные временные диаграммы системы На рис.1 3 изображена общая структурная схема разрабатываемой с и стемы сжатия и уплотнения по форме. На выходе системы уплотнения по форме сигналы с систем АД помножены на функцию Уолша. Сигналы с АД после схемы уплотнения по форме будут перемешаны, так что выделить в нем синхросигнал, адрес или инфо р мацию не возможно. Поэтому временные диаграммы покажем на выходе схем АД. На рис.1 4 показаны временные диаграммы в принципиально важных точках си с тем ы . На рис.1 4 , а показан аналоговый сигнал, поступающий из какого-то датчика (Д) на вход системы сжатия АД. После обработки в АД сигнал пр и обретает вид 1 4 , б . Этот сигнал содержит информацию об адресе датчика, о данных с датчика. Затем сигналы с выходов АД параллельно поступают на вход системы уплотнения по форме. Там сигналы побитно умножаются на свои базисные функции в зависимости от номера АД, и суммируются. Заключение В данном проекте разработана система сжатия и уплотнения каналов, определены её основные параметры с учётом данных технического задания. Спроектированная система может использоваться как составная часть систем телеметрии или радионавигации. По сравнению с аналоговыми системами, данная цифровая система более стабильна в работе, обеспечивает передачу большего числа информации, обеспечивает лучшую точность передачи и н формации. Список литературы 1. Кириллов С.Н., Стукалов Д.Н. Цифровые системы обработки р е чевых сигналов. Рязань, РРТИ, 1995 г. 2. Кириллов С.Н. Курс лекций по дисциплине «Основы теории сжатия информации и уплотнение каналов». Рязань, 2003 г. 3. Тепляков И.М., Рощин Б.В., Фомин А.И., Вейцель В.А. Радиоси с темы передачи информации. М.,1982г. 4. Адаптивные телеизмерительные системы, под ред. А.Б. Фремке, М., 1981 г. 5. Левин, Плоткин, Цифровые системы передачи информации, 1982 г. 6. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В., Цифровая обработка речевых сигн а лов. М., 1981 г. 7. Свиридов Н.Г. Проектирование РТС передачи информации. Рязань, РРТИ, 1988 г.